煤粉锅炉燃烧特性及降低氮氧化物生成的技术研究

摘要

火电厂是大气污染物烟尘、SO2和NOx的主要排放源之一。随着《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的实施，燃煤电厂如何达到排放标准成为克不容缓的问题，其中尤其以氮氧化物的排放标准最为严格。为了满足这一严格的排放标准，大多电站锅炉均采用炉内降低氮氧化物燃烧结合烟气脱硝技术来实现减排。本论文以燃烧神华煤的两个大容量锅炉为研究对象，分别进行了超临界直流锅炉、亚临界控制循环锅炉的低氮燃烧改造研究，利用数值模拟对旋流燃烧器墙式对冲锅炉和四角切圆锅炉的低氮改造方案进行优化，并通过实验研究进行验证与分析。 首先论文以俄制800MW超临界直流锅炉为研究对象，针对旋流燃烧器两侧墙对冲燃烧的T型直流锅炉进行燃烧及NOx排放的数值模拟研究，分析数值模拟结果并结合锅炉实际运行状况，提出了针对这一特殊形式锅炉的低氮燃烧器加空气分级的改造技术方案。利用数值模拟对改造方案的燃尽风率、燃尽风喷口标高及主燃烧器标高进行优化，综合比较安全性和经济性推荐了改造方案。 对800MW超临界直流锅炉的数值模拟研究中，着重分析了氮氧化物反应速率这一关键参数，分析了氧浓度、温度、焦炭反应速率与之的关系，揭示了炉膛内氮氧化物生成与还原的规律，找到了主燃区与燃尽区氮氧化物生成的控制因素，主燃区氧浓度是氮氧化物生成的控制因素，燃尽区温度是氮氧化物生成的控制因素。 其次论文以某600MW亚临界控制循环锅炉为研究对象，针对燃用易结渣神华煤的四角切圆锅炉进行燃烧及低NOx排放的数值模拟研究。分析锅炉实际运行状况并结合数值计算结果，提出沿炉膛高度垂直方向空气分级和主燃烧区域水平方向空气分级的复合空气分级改造方案。 对复合空气分级技术方案的数值模拟研究中，引入等势特征面分析法，着重分析氮氧化物生成速率这一关键参数，利用主燃区与燃尽区氮氧化物生成的控制因素不同的研究结果，进行复合空气分级技术方案的优化。论文同时分析了复合空气分级低NOx改造方案对四角切圆炉膛出口速度偏差及温度偏差的影响，以及对炉膛出口温度、煤粉燃尽程度的影响。 上述600MW亚临界控制循环锅炉按照推荐的最佳改造方案进行了复合空气分级低NOx燃烧的改造，最后本文对改造后锅炉燃烧及NOx排放进行实验研究。实验比较改造前后炉膛出口NOx的排放值，同时实验研究了炉膛温度、锅炉效率、近壁区CO/H2S的含量，分析复合空气分级改造后炉膛内的燃烧特性及NOx减排效果，讨论复合空气分级改造对炉膛渣及高温腐蚀的影响。上述实验结果表明，推荐的最佳改造方案有效降低NOx排放的同时，合理配风，充分发挥宽调节比摆动式燃烧器的优势，使得锅炉煤粉燃尽程度虽稍有降低，但锅炉效率并没有降低。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 氮氧化物排放现状及其危害

1．1．2 国内外NOx的排放标准

1．2 燃煤锅炉降低氮氧化物排放技术

1．2．1 烟气脱硝技术

1．2．2 低氮氧化物燃烧技术

1．3 炉膛内低NOx燃烧技术的研究现状

1．4 煤粉炉内燃烧过程的数值模拟研究现状

1．5 本文研究内容

第2章 炉膛内煤粉燃烧过程及NOx生成数学模型

2．1 引言

2．2 炉内湍流流动模型

2．3 炉内气固两相湍流流动模型

2．4 气相湍流燃烧模型

2．5 辐射换热模型

2．6 煤的热解及燃烧模型

2．6．1 挥发分热解模型

2．5．2 焦炭燃烧模型

2．7 NOx生成机理及模型

2．7．1 煤燃烧过程中NOx的生成类型

2．7．2 煤中N的存在形态

2．7．3 煤热解过程中N的分配

2．7．4 煤燃烧过程中N的转化

2．7．5 NOx的数学模型

2．8 数值计算求解过程

2．9 小结

第3章 800MW超临界机组前后墙对冲锅炉低NOx改造的数值模拟研究

3．1 引言

3．1．1 锅炉概要

3．1．2 燃烧设备和制粉系统

3．1．3 现有锅炉运行状况

3．2 锅炉低NOx燃烧改造方案的设计研究

3．3 网格划分及数值模拟方法

3．3．1 网格划分

3．3．2 计算工况及模型选取

3．4 原锅炉燃烧及NOx生成的数值模拟

3．4．1 炉膛内冷态速度场分布

3．4．2 炉膛内燃烧温度场分布

3．4．3 炉膛内O2、CO分布

3．4．4 炉膛内NOx浓度分布

3．4．5 数值模拟结果与实验结果的比较

3．5 空气分级对锅炉燃烧及NOx生成影响的数值模拟研究

3．5．1 燃尽风对温度场分布的影响

3．5．2 燃尽风对氧气浓度分布的影响

3．5．3 燃尽风对CO浓度分布的影响

3．5．4 燃尽风对NOx生成特性的影响

3．5．5 燃尽风对NOx反应速率的影响

3．6 降低锅炉NOx排放空气分级改造方案的数值模拟优化

3．6．1 燃尽风率的影响

3．6．2 燃尽风喷口高度的影响

3．6．3 主燃烧器标高的影响

3．6．4 推荐最佳改造方案

3．7 小结

第4章 600MW亚临界四角切圆锅炉低NOx燃烧改造的数值模拟

4．1 设备概述

4．1．1 燃烧系统

4．2 原锅炉燃烧及NOx生成的数值模拟研究

4．2．1 计算工况及模型选取

4．2．2 炉膛内冷态速度场分布

4．2．3 炉膛内燃烧温度场分布

4．2．4 炉膛内O2、CO、CO2分布

4．2．5 炉膛内NOx浓度分布

4．2．6 数值模拟结果分析

4．2．7 锅炉降低氮氧化物排放技术方案的提出

4．3 锅炉低NOx燃烧改造方案的设计研究

4．4 复合空气分级对锅炉燃烧及NOx生成影响的数值模拟优化

4．4．1 计算工况及模型选取

4．4．2 分离燃尽风喷口高度及间距的影响

4．4．3 分离燃尽风率的影响

4．4．4 推荐最佳改造方案

4．5 数值模拟结果与实验结果的对比分析

4．6 小结

第5章 600MW亚临界四角切圆锅炉低NOx改造的运行特性实验研究

5．1 引言

5．2 复合空气分级低NOx改造的运行特性实验工况

5．3 复合空气分级低NOx改造NOx测试

5．3．1 实验测试方法

5．3．2 实验测试结果

5．4 复合空气分级低NOx改造锅炉效率测试

5．3．1 实验测试方法

5．4．2 实验测试结果

5．5 复合空气分级低NOx改造炉膛温度测试

5．5 复合空气分级低NOx改造炉膛结渣及高温腐蚀性能分析

5．6 复合空气分级低NOx改造蒸汽参数的测试

5．7 小结

附录：复合空气分级低NOx改造后运行性能参数汇总表

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文及其它成果

攻读博士期间参加科研工作情况

致谢

作者简介